chapter16集成运算放大器

第16章集成运算放大器16.1

集成运算放大器的简单介绍16.2

运算放大器在信号运算方面的应用16.4

运算放大器在波形产生方面的应用16.5

使用运算放大器应注意的几个问题16.3

运算放大器在信号处理方面的应用1.了解集成运放的基本组成及主要参数的意义。2.理解运算放大器的电压传输特性，理解理想运算放大器并掌握其基本分析方法。3.理解用集成运放组成的比例、加减、微分和积分运算电路的工作原理，了解有源滤波器的工作原理。4.理解电压比较器的工作原理和应用。本章要求第16章集成运算放大器

（b）国内符号（c）国际符号图4-1集成运算放大器方框图和符号(1)集成运放的总体结构16.1

集成运算放大器的简单介绍16.1.1集成运算放大器的特点

集成运算放大器是一种具有很高放大倍数的多级直接耦合放大电路。是发展最早、应用最广泛的一种模拟集成电路。特点：高增益、高可靠性、低成本、小尺寸Auo

高:80dB~140dBrid高:105~1011ro

低:几十

~几百KCMR高:70dB~130dB集成运放的符号：uo++Auou+u–。。。+UCC–UEE–+UCC–UEEuou–u+16.1.2电路的简单说明输入级中间级输出级同相输入端输出端反相输入端

输入级：输入电阻高，能减小零点漂移和抑制干扰信号，都采用带恒流源的差放

。

中间级：要求电压放大倍数高。常采用带恒流源的共发射极放大电路构成。输出级：与负载相接，要求输出电阻低，带负载能力强，一般由互补对称电路或射极输出器构成。16.1.3主要参数1.最大输出电压UOPP

能使输出和输入保持不失真关系的最大输出电压。2.开环差模电压增益Auo

运放没有接反馈电路时的差模电压放大倍数。

Auo愈高，所构成的运算电路越稳定，运算精度也越高。6.共模输入电压范围UICM

运放所能承受的共模输入电压最大值。超出此值，运放的共模抑制性能下降，甚至造成器件损坏。愈小愈好3.输入失调电压UIO4.输入失调电流IIO5.输入偏置电流IIB16.1.4理想集成运算放大器1.运放的电压传输特性：设：电源电压±VCC=±10V。运放的Aod=104│Ui│≤1mV时，运放处于线性区。Aod越大，线性区越小，当Aod→∞时，线性区→00uoui+10V-10V+Uom-Uom-1mV+1mV线性区非线性区非线性区+10V-10V+Uom-Uom0uoui2.理想运算放大器：为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：理想运放工作在线性区的条件：

电路中有负反馈！运放工作在线性区的分析方法：虚短（u+=u-）虚断（ii+=ii-=0）3.线性区(放大区)Auo

，rid，ro0，KCMRuo=Auo(u+–u–)4.非线性区（正、负饱和状态）运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论+10V-10V+Uom-Uom0uoui16.2.1

比例运算电路一.反相比例运算虚地点i1=if

（虚断）因为有负反馈，利用虚短和虚断u+

=0

u－=u+=0（虚地）反馈方式：电压并联负反馈电压放大倍数:16.2运算放大器在信号运算方面的应用

结论：①Auf为负值，即uo与ui

极性相反。因为ui

加在反相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③|Auf|可大于1，也可等于1或小于1。④因u–=u+=0，所以反相输入端“虚地”。例题1.

R1=10k,Rf=20k,ui

=-1V。求:uo

、Ri。说明R0的作用，R0应为多大？特点：共模输入电压=0（u－=u+=0）缺点：输入电阻小（

Ri=R1）R0为平衡电阻(使输入端对地的静态电阻相等):R0=R1//Rf二.同相比例运算电路u-=u+=uii1=if（虚断）平衡电阻R=Rf//R1因为有负反馈，利用虚短和虚断反馈方式：电压串联负反馈特点：输入电阻高缺点：共模输入电压≠0（u－=u+=ui）电压放大倍数:

结论：①Auf为正值，即uo与ui

极性相同。因为ui

加在同相输入端。②Auf只与外部电阻R1、RF有关，与运放本身参数无关。③Auf≥1，不能小于1。④u–=u+≠0，反相输入端不存在“虚地”现象。负载电流的大小与负载无关。

例：负载浮地的电压-电流的转换电路1.

能测量较小的电压；2.

输入电阻高，对被测电路影响小。流过电流表的电流IGUxR2R1+–++–RLuiR2R1+–++–iLi1Au=1三.电压跟随器此电路是同相比例运算的特殊情况，输入电阻大，输出电阻小。在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。ui=u+=u-=uo因为有负反馈，利用虚短和虚断：

由运放构成的电压跟随器输入电阻高、输出电阻低，其跟随性能比射极输出器更好。uoui++––++–

左图是一电压跟随器，电源经两个电阻分压后加在电压跟随器的输入端，当负载RL变化时，其两端电压uo不会随之变化。uo+–++–15kRL15k+15V7.5k例：1.反相加法器：若R1=R2=R,

平衡电阻R0=R1//R2//Rfi1+i2=if16.2.2加法运算电路虚地2.同相求和运算：当R1=R2=Rf

=R时,同相比例运算:16.2.3减法运算电路1、利用加法器和反相比例器叠加原理2、差动减法器

ui1作用

ui2作用

综合：则有：电路如图所示，已知ui=1V，当电位器的滑动端从A点移到B点时，输出电压uO的变化范围。+1～-1V图中所示为恒流源电路，各参数如图中所标，已知稳压管工作在稳压状态1)指出电路中采用的反馈类型2）求输出电压Uo的表达式3)试求负载电阻RL中的电流IL解:16.2.4积分电路当电容CF的初始电压为uC(t0)时，则有反相积分器：如果u

i=直流电压,输出将反相积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0-UomTM积分时间设Uom=15V,ui=+3V,

R=10k,C=1F求积到饱和值的时间：5、在图（a）所示电路中，已知输入电压uI的波形如图（b）所示，当t＝0时uO＝0。试画出输出电压uO的波形。若t＝0时uO＝0，则t＝5ms时uO＝－100×5×5×10－3V＝－2.5V。当t＝15mS时uO＝[－100×(－5)×10×10－3＋（－2.5）]V＝2.5V。因此输出波形如图所示

将比例运算和积分运算结合在一起，就组成比例-积分运算电路。uoCFuiR2R1++––++–RFifi1电路的输出电压上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分

这种运算器又称PI调节器,常用于控制系统中,以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变RF和CF，可调整比例系数和积分时间常数,以满足控制系统的要求。16.2.5微分电路：u-=u+=0比例-微分运算电路上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分

控制系统中，PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。—PD调节器uoC1uiR2RF++––++–R1ifiRiCtui0tuo0例：,求uo。90°1.运放工作在非线性状态→电路开环或引入正反馈。2.运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-

则UO=+UOM；若U+＜U-

则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）

注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM16.3.3比较器uoui0+UOM-UOM1.过零比较器:（门限电平=0）uoui0+UOM-UOM一.单门限电压比较器tuituo+Uom-Uom例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。电压传输特性–Uom+Uom运放处于开环状态2.单门限比较器（与参考电压比较）阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++–R1+–++––当u+>u–时，uo=+Uom

u+<u–时，uo=–Uom

即ui<UR时，uo

=+Uom

ui

>UR时，uo

=–

Uom可见，在ui

=UR处输出电压uo

发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo

m–Uomt1t2单限电压比较器：

当ui

单方向变化时，uo

只变化一次。URuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uom+UomuiuoOURui

>UR，uo=+Uomui

<UR，uo=–UomURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––

–Uom

+UomuiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uom+UomuiuoOURURuouiR2++–R1+–++––uiuoURR2++–R1+–++––Ot+Uom)–Uomuo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uom–Uomt1t2输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui

<

UR，uo

=UZ

ui>UR，uo

=–UZUZ–UZuo'RDZURuouiR2++–R1+–++––电压传输特性–Uom+UomuiuoOURui<UR时，uo'

=+Uom

ui

>UR时，uo'

=–

Uom

稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路中uoui0+UZ-UZ当ui>0时,uo=-UZ当ui<0时,uo=+UZ

二.迟滞比较器1.工作原理——两个门限电压。特点:电路中使用正反馈——运放工作在非线